氣舉反循環鉆機在高樁碼頭PHC樁斜樁嵌巖中的應用

◎ 趙偉健 中交第四航務工程局有限公司

PHC樁普遍應用于港口碼頭工程，隨港口碼頭工程不斷深入發展和PHC樁設計的多元化擴展，出現了越來越多的PHC樁樁芯嵌巖施工設計和施工。目前，PHC斜樁樁芯嵌巖施工中存在斜樁鉆進導向困難、PHC內壁易受損、斜向嵌巖段施工易卡鉆等問題，因此，如何解決上述問題，提高施工效率、施工質量和施工安全，成為當前PHC斜樁樁芯嵌巖施工亟待解決的難題。

1.工程概況

惠州港東馬港區歐德油儲公用石化碼頭擴建工程在現有一期碼頭的端部向外延伸299m，軸線方向與一期保持一致，擴建雙側靠船的2個5萬噸級油品及化工品泊位突堤式高樁碼頭，離岸式布置。碼頭作業平臺長240m，寬60m。碼頭主體結構選用打入式樁基礎結構，入中風化巖段樁基采用灌注型嵌巖段，為充分提高打入樁的承載力，同時考慮到PHC樁打穿強風化巖層存在困難，樁基礎采用Φ1200PHC樁（B型，壁厚150mm）+Φ940鋼管樁（壁厚20mm，長3m）+6m灌注型嵌巖樁組成，3m鋼管段主要是盡量延長打入段，充分利用打入樁較高的承載力，以減少灌注段長度。PHC樁共320根，其中斜樁128根，斜樁斜率為1:5，最大施工樁長為32.16m，持力層為強/中風化泥質砂巖。

2.施工工藝

2.1 項目特點

本項目施工建設的主要特點在于：①地質較為復雜，底部巖面高程較高且不均勻，巖面頂部存在卵石夾層；②在一期運營航道上擴建巖面覆蓋層較薄，中風化巖層為泥質砂巖，巖石堅硬程度分類為軟巖，承載力不高，但存在PHC樁沉樁貫入施工難度，采用常規工藝，工程樁作為作業鋼平臺基礎承載力不高，無法滿足大型嵌巖設備施工；③離岸施工，緊靠一期碼頭且在運營中，無法搭設臨時施工作業引橋，材料設備全靠船運至施工位置，工期緊碼頭完工工期1年；④PHC樁斜樁底內引孔嵌巖施工案例少，PHC樁內壁質量保護、嵌巖芯柱軸線控制困難；⑤設計灌注段鋼筋籠非全樁斷面安裝，只設于嵌巖部分及PHC管樁內銜接6m，斜樁混凝土下料導管下放至鋼筋籠頂處時，導管底容易卡住主鋼筋等問題。

2.2 施工工藝流程

圖1 氣舉液壓反循環鉆機（KTY-2000A）

圖2 鋼平臺標準斷面圖

本碼頭為二期擴建項目且為突堤式離岸式布置、PHC樁嵌巖樁均在海上施工，施工工藝的選定對項目施工工期、成本控制等起到了關鍵作用，其中嵌巖樁施工設備的選擇尤為關鍵。水上嵌巖樁施工需要搭設施工平臺，進行“水轉陸”施工，可大幅提升施工效率，本工程PHC樁斜樁嵌巖工藝流程如下：

施工準備→設備選型→鋼平臺設計及搭設→鉆機就位→鉆機位置精調（同步泥漿制備）→鉆進→入巖→終孔（嵌巖深度確認）→清孔→成孔檢測→鋼筋籠制作及安裝→二次成孔檢測→導管安裝→二次清孔→澆筑水下混凝土。

2.3 設備選型

本項目施工條件復雜、施工工期緊、質量要求高對設備選型的要求也高。灌注樁施工的設備多種，如：沖擊鉆機、回旋鉆機、氣舉反循環鉆機等。沖擊鉆機雖然重量輕但功效慢，并且對斜樁進尺慢還需加鋼內護筒護PHC樁內壁，質量不好控制；回旋鉆機自重重，對平臺承載力要求高；針對地質條件、鋼平臺承載、施工效率、施工質量以及施工成本等綜合考慮，本項目采用氣舉反循環鉆機（KTY-2000A），該型鉆機為液壓動力頭鉆機，鉆機主要由動力頭、滑移橫梁、鉆機結構（含底盤、鉆架、封口盤等）、鉆具、司機室、液壓站、電氣控制系統組成[1]。是港口碼頭、公路、橋梁及高層建筑等大型基礎工程鉆孔施工機械，可在孔徑φ0.8～φ2.0m，巖石單軸抗壓強度σc≤200MPa的基巖中任選孔徑下鉆進，鉆進深度可達130m以上，在覆蓋層中的鉆孔直徑可達3.0m，該設備分柴油機驅動的液壓鉆和電機驅動的液壓鉆，剪切不同地質土層（中風化巖、微風化巖），齒端采用合金鋼頭，依據本項目地質采用常規的“蘑菇型”合金牙輪。

2.4 鋼平臺設計

施工平臺基于工程樁作為支撐開展結構設計，施工平臺采用鋼結構。工程樁為φ1200PHC樁（直樁和5:1斜樁）。根據使用荷載不同分為普通區和加強區。普通區設計荷載為反循環樁機和施工堆載；加強區設計荷載為55t履帶吊和施工堆載。設計使用年限2年，結構安全等級三級，結構重要性系數為0.9[2]。

普通區：φ1200PHC增設牛腿作為施工平臺的支撐，牛腿采用抱箍+倒掛結構。橫梁采用工字鋼63b，縱梁為321貝雷片，貝雷片之間通過支撐架等聯系。分配梁采用工字鋼20a，間距600mm，橋面板采用8mm鋼板。

圖3 PHC樁內引孔導向滑輪裝置

圖4 PHC樁混凝土下料導管裝置

加強區與普通區的主要區別：一是橫梁不同，加強區橫梁為雙拼工字鋼63b（共4根），普通區橫梁為單組工字鋼63b（共2根）；縱梁貝雷架間距不同，加強區縱梁較密，加強區分配梁工20a間距300mm。各橫梁處貝雷架加設豎桿。貝雷片材料為16錳鋼（即Q345），其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值f=273N/mm2，其抗剪強度設計值fV=180N/mm2；其余鋼材采用Q235鋼材，其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值f=215N/mm2，其抗剪強度設計值fV=125N/mm2。

按照《水運工程鋼結構設計規范》（JTS152-2012）對鋼平臺進行結構強度驗算，構件強度滿足規范要求。

2.5 鉆具改進

在斜樁嵌巖施工過程中，鉆頭的自重將影響樁軸線偏差形成彎曲，對鉆具的連接件造成損害，易發生連接桿螺栓斷裂事故，故需在鉆桿上加導正器，為保證樁軸線的偏差率，導正器必將在PHC樁內壁快速磨擦，對PHC樁成品質量保護難以保證。針對PHC樁內壁質量保護，避免鉆桿直接與PHC樁內壁接觸從而發生摩擦，又能使嵌巖孔的成孔軸線得到控制，本項目自主研發了一種嵌巖引孔定位導向裝置，樁芯斜率和垂直度可準確控制，PHC樁斜樁嵌巖內壁質量保護有保障。

鉆具改進采用特制導向滑輪（支架、軸承、滾動軸）組成，與樁接觸滾輪材料采用高密度耐磨橡膠。在鉆桿上設置的定位導向滾輪，根據鉆進深度及鉆桿長度，設置2～3道，最底部定位導向滾輪不出樁靴，鉆桿在鉆進過程中起到軸線控制作用，以保證鉆進軸線和傾斜度，避免鉆頭下垂。

2.6 鉆機就位鉆孔嵌巖

利用履帶吊協助鉆機在施工平臺上組裝和就位。動力頭通過吊耳懸掛于滑移橫梁下，由兩個油缸驅動，可實現45°旋轉動作，以便于安裝和拆卸鉆桿。

鉆架為門型結構，其與底盤間用2.5-φ100軸連接，在拆除鉆架前方的兩根軸后，由兩個180/125-950油缸驅動，鉆架可后仰0～30°。

底盤外形為矩形結構，四角安裝活動支腿（必要時可拆除）與平臺連接進行鉆孔作業。鉆機配兩臺手動50t千斤頂用于底盤調平。底盤可安裝履帶配置行走系統，用于自動行走，節省吊裝設備。

鉆機就位后，開始逐節安裝鉆桿，并利用可調節鉆架和動力頭對鉆桿的角度和斜率進行調整，確保鉆頭中心線與樁位中心重合。

根據地質分層淤泥層、粘土層、細砂層、小塊狀卵石層可采用硬質合金刮刀制成的三翼鉆頭鉆進，鉆頭直徑875mm，轉速15～20r/min，管外巖面采用全斷面“蘑菇”型金鋼牙輪，轉速10～15r/min，鉆進過程均要隨時注意孔內的阻力不宜太大，或利用鉆具自重鉆進，減小立軸鉆桿平衡桿對滑道的壓力，隨時觀察壓力表鉆機、鉆架的運行安全情況。

2.7 清孔驗孔

氣舉反循環鉆機工藝主要利用空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導管內的風管送至孔底，高壓氣與泥漿混合，漿氣混合物因比重小而上升，在導管內形成負壓，孔底泥漿在負壓作用下上升，并在氣壓動量的聯合作用下，不斷補漿，形成流速、流量極大的反循環，攜帶沉渣從導管內抽出，泥漿中所含細砂經過濾砂后流入泥漿池中[3]。新制泥漿或經濾砂合格的泥漿不斷循環入孔內，形成反循環工藝，最終完成孔內的換漿清孔，在清孔過程中需及時向孔內補漿，保證孔內水位應高于地下水位2m以上。

2.8 鋼筋籠吊裝

圖5 PHC樁斜樁嵌巖抽芯芯樣

鋼筋籠在加工場加工，然后通過工作船運輸至施工現場，采用兩點吊，第一吊點設在骨架的下部，第二吊點設在骨架長度的中點到上三分點之間，起吊時，先提第一吊點，使骨架稍提起，再與第二吊點同時起吊，待骨架離開工作船后，第一吊點停止起吊，繼續提高第二吊點，隨著第二吊點不斷上升，慢慢放松第一吊點，直至骨架同船面垂直，停止起吊，解除第一吊點，檢查骨架是否順直，如有彎曲應調直，當骨架進入孔口后，應將其扶正后下降，嚴禁擺動碰撞孔壁[4]。

2.9 混凝土灌注

嵌巖樁需混凝土通過攪拌罐車運送到臨時碼頭，再經過駁船運送到施工現場，通過泵送的方式澆筑混凝土。嵌巖樁混凝土管采用Φ300mm鋼導管，鋼導管頂端設置漏斗，導管每節長2～4m，采用拆管器連接，并用膠圈密封，使用前進行了水密等試驗。因鋼筋籠為非全樁斷面安裝，混凝土下料導管需微改造，利用鋼板制作成翼板+圓鋼焊接錐形導向裝置，自主研發一種導向裝置焊接在導管的底部，對導管安裝過程起到引導作用，以便導管能順利沿著鋼筋籠內壁下放到指定的高度。砼第一斗量應足以將導管端部埋深大于2m，筑混凝土過程導管埋深以2～6m為宜，保證澆筑過程中混凝土的質量。混凝土澆筑應連續無中斷，等混凝土面下落至儲料斗底部時，隨即向儲料斗內繼續加入混凝土，接著連續澆灌。

2.1 0嵌巖樁樁基檢測

樁基施工完成后需進行樁身質量檢測，采用超聲波及抽芯對樁身質量檢測，128根斜樁嵌巖樁成樁檢測Ⅰ類樁127根，占比99%，Ⅱ類樁1根，樁基質量良好。

3.結論

氣舉反循環鉆機在本項目PHC樁斜樁嵌巖中的成功應用以及在施工質量、施工效率、與安全環保等方面比較具有優勢。可以得出這樣的結論：

（1）施工質量有保證，成樁質量好。采用自主研發的PHC樁嵌巖引孔定位導向裝置，樁芯斜率和垂直度可準確控制，PHC樁斜樁嵌巖內壁質量保護有保障，采用反循環清孔方式，清孔干凈，樁底沉碴少。

（2）樁基成孔速度快、施工效率高。液壓鉆機配合氣舉反循環方式清孔，施工成孔速度快，在普通土層中成孔速度可達1m/h，強風化泥質砂巖中成孔速度可達0.7m/h，在中風化泥質砂巖中成孔速度可達0.6m/h。

（3）具有安全、環保方面的優勢。液壓反循環鉆機具有結構小、自重輕，對工作平臺的承載力要求較低；鉆機具有獨立操作室，可24小時施工，不受常規雨季天氣影響，安全可靠，作業人員勞動強度低。鉆機采購方便，導向裝置定制方便，使用過程維護簡單、能耗小、環境影響低。

（4）本項目樁基施工的成功，可為國內外同類型PHC斜樁樁芯嵌巖施工提供借鑒。